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在建设山地风电场时,山地地形相比于平坦地区较为复杂,风况灵活多变。面对这种情况,研究山地流场的一些特性是具有一定意义的。本文基于CFD技术应用Fluent软件对二维孤立单山、二维连续双山进行了数值模拟,根据计算结果对山地流场区域的各参数分布进行简单分析。
1、二维孤立单山
山体选取80米高400米宽的单山模型,数值模型采用结构网络,应用Gambit软件建模,近壁边界层网格加密,为满足精度对网格的要求,网格总数约为6万。模型的边界条件设置如下:入口为速度入口,需要写入带有风廓线的udf函数;出口为压力出口;上部为对称边界;底部为wall边界。
由以上速度云图可知,风速在坡顶有非常明显增大现象,是适合的布机位置,山后存在较大的分离区,由于流动分离的存在(一般迎风坡坡度达到17゜,背风坡达到22゜就会产生流动分离),导致山体背风面风速较低。坡顶与迎风面和背风面不同的是,风速在坡顶的变化过程比较短,随着高度的增加很快就增加到最大风速值。
以上三幅图分别为迎风坡、山顶、背风坡处速度随高度的变化情况,由图可知,山顶位置随着高度增加风速是先减小然后才恢复逐渐增大的,表明该点所获得的加速效果最好,是良好的布机区域。在迎风面由于陡坡地形的抬升,对流动产生阻碍作用,导致山前速度减小。山后由于有流动分离的存在,导致形成了分离涡,所以在近山表面区域速度随高度变化跨度较大(相比于迎风面)。
由以上湍动能图可知,湍动能最大值集中分布在山后的分离区域,其次在山顶附近(靠近迎风面)。通过与速度图比较可知,湍动能较大值区域与分离涡的位置并不重合,而是位于分离涡后方,即湍动能最大值分布区与分离区相比产生了滞后现象。通过查阅资料分析,产生滞后可能是因为这部分流体速度值与分离区相比较大,又在尾涡的作用下具有较大的剪切变形速率,在剪切的作用下形成了各种尺度的脉动,湍动能的产生源于大尺度的脉动。考虑湍流脉动对风机叶片疲劳载荷和寿命的影响,对于山体流场在后山脚之后一段距离不布置风机。
2、二维连续双山
山体选取80米高300米宽和100米高300米宽的双山模型,其模型它设置同单山模型设置。
由以上速度图能够看出,在两山之间有一个很大的漩涡,高山模型在组合流场中起到决定性作用,当气流从矮山流过之后遇到高度更高的高山,本模型中由于高山坡度大对气流产生的阻碍作用明显,使一部分低速气流不能顺利流过高山。同时无论是矮山山顶还是高山山顶都存在明显的加速现象,但是与孤立单山模型相比,由于相邻山体之间的影响,无论高山山顶还是矮山山顶的加速都没有孤立单山的加速大,当然随着高度的增加,这种相邻山之间的影响作用也在弱化。风机的最适宜布机位置是高山和矮山的山顶,但是受到高山尾流影响的矮山山顶却不是合适的位置。
由以上湍动能图可知,对于矮高组合山的湍动能分布,湍动能的极大值在高山的山后面取得,这种结果应该是矮山的尾流和高山障碍物作用共同影响的结果,与单山相比湍动能的最大值区域被提高了,并且湍动能有所增加。
3、总结
(1)对于孤立的二维山体分析,山顶处的速度最大,加速十分明显,并且在山的背风面产生了流动分离。最大的湍流强度值是在后山脚取到的。湍动能的较大值的区域和分离涡的位置并不重复,而是在分离涡的后面。风机的最适宜布机位置是山顶,考虑湍流脉动对风机叶片疲劳载荷和寿命的影响,对于山体流场在后山脚之后一段距离不布置风机。
(2)对于二维连续双山流场的分析,与孤立的单山相比较,双山的山顶加速效果不如单山,在连续的二维双山中,高山受到矮山的影响较小,但是矮山受到高山的影响较大,两山之间存在分离涡。风机的最适宜布机位置是高山和矮山的山顶,但是受到高山尾流影响的矮山山顶却不是合适的位置。
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